甜高粱耐盐碱、寒冷、铝毒胁迫遗传改良研究进展

赵文光，吴则东

甜高粱耐盐碱、寒冷、铝毒胁迫遗传改良研究进展

赵文光1，吴则东2，3*

（1.甘肃省武威市凉州区金羊镇农业技术推广站，甘肃武威733000；2.黑龙江大学农作物研究院/中国农业科学院甜菜研究所，哈尔滨150080；3.中国农业科学院北方糖料作物资源与利用重点开放实验室，哈尔滨150080）

综述了甜高粱抗非生物胁迫的耐盐碱性、耐寒冷性、耐铝毒性的遗传改良研究进展，以期为我国甜高粱遗传育种、品种改良提供参考。

甜高粱；非生物胁迫；盐碱；寒冷；铝毒；遗传改良

随着人口的增长和人类对物质需求的增加，人类对自然改造加强，全球不论是人类还是植物的生态生存环境越来越下降。甜高粱作为最有发展前途的能源作物，不可避免地面对生物的和非生物的胁迫。因此，增强甜高粱的抗逆性对于可持续发展是至关重要的，其中从遗传角度培育甜高粱内在的抗胁迫能力是根本途径。甜高粱可用于育种的遗传和基因组资源已具有一定基础，因此有望运用涉及传统育种和分子生物学等多学科方法改良其抗性[1]。本文回顾世界上非生物胁迫中耐盐碱性、耐寒性、耐铝毒性的遗传改良研究进展，以期为我国甜高粱遗传育种、品种改良提供参考。

1 甜高粱耐盐碱性的遗传改良

盐碱胁迫影响植物的生长和生产力。在高浓度的NaCl胁迫下，甜高粱其主要的生理生化过程，如光合作用、蛋白质合成、能量和脂质代谢被抑制；有趣的是，在甜高粱茎中的糖含量保持不变，甚至在几个耐盐品种中还有增加[2]。对两个甜高粱自交系（耐盐品系M-81E和盐敏感品系Roma）的转录谱进行分析，以研究0 mM或150 mM的NaCl胁迫下高糖含量的分子机制。鉴定的两个品系M-81E和Roma分别为864和930个控制植物与受盐胁迫的差异表达基因，这些基因的多数参与光合作用、固碳、淀粉和蔗糖代谢。与Roma品系相比，M-81E品系维持光合系统结构和调节光合电子传递的重要基因，受到盐胁迫的影响较小。此外，盐胁迫下M-81E品系，表现为基因编码NADP+苹果酸酶和蔗糖合成酶基因上调与基因编码转化酶下调；在Roma品系却相反。耐盐基因型M-81E导致盐胁迫下糖含量增加的原因是：保护光合系统的重要结构，提高光合产物的积累，促进蔗糖合成酶的生产并抑制蔗糖分解[2-3]。耐盐性强的M-81E抗性酶系统活力均比314B高，表现为更强的活性氧清除能力。314B品系在盐碱胁迫下叶片大面积变黄，中脉厚度、株高和茎基周长下降的程度均比M-81E大。用SSH方法成功构建了苏打盐碱胁迫下差异表达基因的cDNA文库。103个ESTs（81.1%）可以找到已知的同源序列，另有24个ESTs（18.9%）未获得同源匹配。其中只有48个ESTs（占46.6%）有功能注释，而55个ESTs（占53.4%）功能未知或为假定蛋白。在盐碱胁迫下，多种功能基因被诱导表达，涉及植物的光合作用、物质代谢（包括碳水化合物、脂肪、氨基酸、辅酶和无机离子等）和能量代谢、细胞壁与细胞膜的组成、水通道、信号转导及转录调控因子等[4]。

在遗传水平上已培育了对外在胁迫的适应性能力。例如，在钠胁迫下，甜高粱高亲和力钾转运蛋白基因家族成员SbHKT1、SbHKT4，可保持最佳的Na+/K+平衡功能。耐盐甜高粱在Na+胁迫下SbHKT1、SbHKT4表达强烈上调（与较好的Na+/K+平衡比相关），而促进植物生长[5]。为明析种子萌发期和幼苗期耐盐遗传机制，以改善甜高粱耐盐性，从Shihong 137×L-Tian的181个重组自交系（RIL）鉴定了38个耐盐QTL。盐胁迫下苗期6个主效QTL的表型变异超过10%[6]。这表明，甜高粱萌发期和幼苗期的耐盐性的遗传机制是不同的，需要做进一步的研究，以确定甜高粱发育过程中不同的生长阶段耐盐性遗传位点。P5CS是脯氨酸合成途径的关键酶，植物体内脯氨酸含量与P5CS基因的表达量具有相关性。在高盐胁迫下，甜高粱根和叶中SbP5CS1～2表达量最高点分别在4h和8h。SbP5CS1的诱导量显著高于SbP5CS2，且主要在成熟器官中表达，而SbP5CS2则在各个组织中均有表达。推测SbP5CS1可能是胁迫诱导基因，主要负责在逆境环境下甜高粱体内脯氨酸的积累，而SbP5CS2可能是持家基因，主要负责植物正常生长所必需的脯氨酸的供给。将SbP5CS1转化到拟南芥，结果转基因拟南芥具有更高的胁迫耐受性，比正常生长和盐胁迫条件下野生型积累更多的脯氨酸，说明在植物体内超表达SbP5CS1可有效提高植物抗逆性[7]。

在不利环境中，植物启动一系列涉及多种蛋白激酶的信号传导过程，如Ca2+蛋白激酶和蔗糖非发酵型相关激酶（SnRKs）。钙调磷酸酶B蛋白（CBL）是一种新型的Ca2+传感器家族，虽无蛋白激酶（CIPK）活性，却可激活CIPKs传递Ca2+信号[8]。钙调磷酸酶B蛋白（CBL）与蛋白激酶（CIPK）相互作用是特异性丝氨酸/苏氨酸通过与CBLs相互作用将Ca2+信号传导，二者的相互作用转导不同胁迫信号的关键成分。在拟南芥，CBL1和CBL9交互作用AtCIPK23调节钾转运蛋白AKT1，AtCIPK11则负向调节高pH胁迫[9-10]。在水稻的幼苗期，OsCIPK3、OsCIPK12和OsCIPK15基因超表达增强寒冷、干旱和盐耐性[11]。玉米，ZmCBL4盐不敏感突变体已被鉴定[12]。这些研究表明，在不同的植物中都存在CBL-CIPK途径来应对胁迫。在甜高粱中，已有32个CIPK基因（SbCIPKs）被鉴定了。在N端激酶域一个保守的蔗糖非发酵1（SNF1）和C端NAF基序（CBL-CIPK相互作用必需的具有保守氨基酸N、A、F的24氨基酸域）使用序列分析鉴定了所有的SbCIPK。胁迫和轻度顺式作用元件在甜高粱CIPK启动子区也被确定了。实时PCR分析显示甜高粱幼苗在Na2CO3胁迫下32个SbCIPK表现不同的表达模式。据此表达模式，6个SbCIPK1、4、11、23、26和30被强烈诱导转录，比对照表达至少高10倍。有趣的是，在正常生长条件下这6个CIPKs具有不同的表达模式，但都在叶片特异表达，而SbCIPK1和SbCIPK11在苗期、拔节期和成熟期的转录水平较高；SbCIPK4和SbCIPK23在苗期和成熟期呈高表达；SbCIPK26在拔节期呈高表达；SbCIPK30在成熟期高表达。说明在甜高粱叶功能和碱胁迫反应存在不同的关系。系统酵母双杂交试验证明了多种SbCIPK和SbCBL之间特殊的相互作用关系[13]。甜高粱CBL家族基因的表达具有组织特异性，SbCBL06、SbCBL08 mRNA相对表达水平在幼叶中最高，而其他6个SbCBL基因mRNA相对表达水平均在成熟叶片中最高；SbCBL基因家族对Na2CO3胁迫响应呈现出不同的表达模式，SbCBL01、SbCBL07主要在幼苗根部呈现持续的上调表达，SbCBL06主要在幼苗叶片中响应。发现大部分SbCBL均有与之对应的受逆境胁迫诱导的EST序列，推断该家族基因在抵抗逆境方面可能起重要作用。SbCBL08含有两个EF-hand保守结构域，其它SbCBL中均含有3个典型的EF-hand，并且在SbCBL01、SbCBL04～05和SbCBL08中具有N-豆蔻酰化结构域（MGXXXS/T）。该家族基因启动子区均含有多种与逆境胁迫及植物激素相关的顺式作用元件。将SbCBL01及多个能够响应Na2CO3胁迫的SbCIPK基因构建到pDEST22与pDEST32载体共转化酵母细胞，SbCBL01蛋白可能与SbCIPK24和SbCIPK30蛋白互作。已将SbCBL01基因克隆，得到6个T1代的转基因株系[14]。

2 甜高粱耐寒冷性的遗传改良

温带地区早期土壤温度低于15℃限制甜高粱的发芽和幼苗生长。由于春季低温时间长延长了早期发育时期，因此培育甜高粱幼苗快速生长是温带气候一个重要的育种目标，这将会使甜高粱种植区扩大到温带和需要早种植的地区[2]。在中国，高粱地方品种，在寒冷条件下虽然其出苗率高和幼苗活力强，但其农艺性状差。甜高粱抗早期低温性与种子发芽、出苗和生长势有关，有15个此方面的QTL已被鉴定[15-17]。Niegel为鉴定增强甜高粱耐寒的基因组区域，先使用CT19（耐寒）×TX430（冷敏感）杂交的220个重组自交系（RIL）群，在早期寒冷和最佳条件下由复合区间作图法（CIM）确定QTL；用来自M81-E（冷敏感）×ISCV-700（耐寒型）的210重组自交系甜高粱对QTLs进行验证。在低温和最佳条件下测定萌发、出苗、幼苗发育和生存能力。再用差异表达研究对低温和最佳条件下的亲本和4个重组自交系（两个耐冷、两个冷敏感）进行鉴定，用RNA测序检测甜高粱基因组区域的差异表达[18]。利用分子标记辅助选择这些理想的基因组区域可渗入到骨干品系中以改善甜高粱早期性能。母株胚胎成熟期保存的信使RNA、蛋白和DNA的完整性质量在萌发表型起重要的作用，含硫氨基酸代谢途径是种子开始萌动到发芽能够正常进行的一个关键的生化决定因素[19]。因此，寒冷胁迫下分子量对种子萌发及活力有望为种子质量提供新的标记，可用于育种和/或生物技术方法提高甜高粱的生物量。此外，高呼吸速率和较高的发芽率呈正相关，具有较高的呼吸速率的品种可能更抗早期低温[20]。因此，选择较高的呼吸速率可提高甜高粱早期活力（发芽、伸长和生长率）。甜高粱根茎的形成特性是遗传的，与越冬能力是相关的。弄清楚控制越冬的遗传机制可控制越冬来创造多年生甜高粱。这些越冬甜高粱类型可以扩大生物量生产期并降低生产成本，可用于提高生物燃料的生产。甜高粱根茎和越冬由7个QTL控制，QTL由BTx623×S.propinquum图谱群被鉴定，越冬后再生与根茎和分蘖有关[2，21]。

3 甜高粱耐铝毒性的遗传改良

在酸性土壤中，铝溶解成离子形式（Al3+），尤其是当土壤pH值低于5的场合。铝的离子形式对植物的毒性非常大，通过抑制细胞分裂或细胞伸长（或二者同时作用）限制了根的生长。这样，根对水和营养的吸收就受到影响，结果植株的生长发育就受到严重阻碍。因此，铝的毒性是热带和亚热带地区甜高粱生产的主要限制因素[2，22]。除了自然发生的酸性土壤，农业活动也可能降低土壤pH值，由于铝的毒性导致产量损失。阐明甜高粱耐铝性的遗传和分子机制有望促进耐铝品种的培育。利用定位克隆方法，得到了一个铝诱导柠檬酸转运蛋白的编码基因MATE（多药物和有毒化合物排出家族），被确定为甜高粱的耐铝主效位点AltSB在3号染色体上[23]。这些标记很快就被育种家将最有利的等位基因SbMATE整合到甜高粱种质资源，目前正在酸性土壤中进行测试。类似的结果在玉米ZmMATE1的表达得到证实，通过3份的靶基因或由一个未知的分子机制控制的，调解耐铝性的QTL定位于6号染色体上（qALT6）[24]。在AltSB调控区多态性可能对多数等位基因产生影响，在耐性基因型根尖中AltSB的表达增强了。此外，可诱导铝AltSB的表达与通过增强根中柠檬酸渗出而诱导耐铝性。这些信息可以让科学家鉴定优良的AltSB单倍型，可通过分子育种和生物技术等手段纳入到酸性土壤育种计划，从而有助于酸性土壤为主的发展中国家提高作物产量[23]。

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Research Progress on Genetic Improvement of Sweet Sorghum Tolerance to Salt-alikali,Cold and Aluminum Toxicity Stress

ZHAO Wen-guang1,WU Ze-dong2,3*
(1.Agricultural Technology Service Station of Jinjiang Town,Liangzhou District,Wuwei,Gansu 733000;2.Crop Academy of Heilongjiang University/Sugar Beet Research Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150080;3.Key Laboratory of North Sugar Crop Resource and Utilization,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150080)

The research progress on genetic improvement of sweet sorghum tolerance to abiotic stress,such as salt-alkali,cold and aluminum toxicity stress were reviewed,in order to provide references for genetic breeding and strain improvement of sweet sorghum in China.

sweet sorghum;abiotic stress;salt-alkali;cold;aluminum toxicity;genetic improvement

S435.665

：B

：1007－2624（2017）03－0060－03

10.13570/j.cnki.scc.2017.03.022

2017-02-05

赵文光（1979-），甘肃武威人，农艺师，主要从事农业技术推广、蔬菜病虫害防治、蔬菜栽培、温室管理工作。

吴则东（1972-），男，黑龙江依兰人，副研究员，博士，从事作物遗传及分子育种研究。E-mail：331056376@qq.com